Оптический наноакселерометр

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при решении задач навигации, управления и гравиметрии. Устройство содержит источник постоянного оптического сигнала, компенсирующий источник оптического сигнала, два оптических нановолокона, две телескопические нанотрубки, оптический нановолоконный Y-разветвителель. Технический результат - упрощение измерения кажущегося ускорения и обеспечение возможности наноразмерного исполнения устройства. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при решении задач навигации, управления, гравиметрии.

Известны маятниковые акселерометры, предназначенные для измерения кажущегося ускорения, содержащие маятник (чувствительный элемент) и цепь обратной связи (датчик положения, усилитель, исполнительный элемент) [Командно-измерительные приборы / Под ред. Назарова Б.И., - М.: МО СССР, 1975].

Недостатком данных устройств является сложность и невозможность наноразмерного исполнения.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический акселерометр [Патент РФ №2383026, Соколов С.В. и др.], содержащий источник постоянного оптического сигнала, оптический нановолоконный Y-разветвитель, два выходных оптических нановолоконных Y-разветвителя, два оптических нановолоконных N-выходных разветвителя, две телескопические нанотрубки, два оптических N-входных нановолоконных объединителя обратной связи.

Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и невозможность использования в нем телескопических нанотрубок со значительными силами Ван-дер-Ваальса (до 10 нН).

Заявленное устройство направлено на упрощение решения задачи измерения кажущегося ускорения.

Поставленная задача возникает при разработке и создании навигационных систем, обеспечивающих обработку информации в тера- и гигагерцевом диапазонах, а также при измерении ускорения во время различных виброиспытаний и гравиметрических исследований.

Заявленное устройство строится на основе оптических нановолокон, варианты технического исполнения которых описаны в [Оптика наноструктур / Под редакцией А.В.Федорова: СПб. «Недра», 2005 г.; Krenn J.R., Dereux A., Weeber J.C., et al. Squeezing the optical near-field zone by plasmon coupling of metal nanoparticles. Physical Review Letters, 1999, 82, 12, 2590], и телескопических нанотрубок, под которыми понимается пара вложенных одна в другую нанотрубок [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002].

Сущность изобретения состоит в том, что в оптический наноакселерометр введены компенсирующий источник оптического сигнала, два оптических нановолокна, оптический нановолоконный Y-разветвителель, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу первого оптического нановолокна, выход которого оптически связан со входом оптического нановолоконного Y-разветвителя, выход компенсирующего источника оптического сигнала подключен ко входу второго оптического нановолокна, телескопические нанотрубки расположены между выходом второго оптического нановолокна и вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя по оси распространения их выходных оптических сигналов, в исходном положении внутренняя нанотрубка разрывает оптические связи между выходом первого оптического нановолокна и входом оптического нановолоконного Y-разветвителя, выходом устройства является первый выход оптического нановолоконного Y-разветвителя.

На чертеже представлена функциональная схема оптического наноакселерометра.

Устройство состоит из источника постоянного оптического сигнала 1₁, компенсирующего источника оптического сигнала 1₂, оптического нановолоконного Y-разветвителя 2, двух оптических нановолокон 3_i, i=1,2, двух телескопических нанотрубок 4_i, i=1,2, (4₁ - внутренняя нанотрубка, 4₂ - внешняя нанотрубка).

Выходом устройства («А») является первый выход оптического нановолоконного Y-разветвителя 2.

Выход источника постоянного оптического сигнала 1₁ подключен ко входу первого оптического нановолокна 3₁, выход которого оптически связан со входом оптического нановолоконного Y-разветвителя 2.

Выход компенсирующего источника оптического сигнала 1₂ подключен ко входу второго оптического нановолокна 3₂.

Телескопические нанотрубки 4₁, 4₂ расположены между выходом второго оптического нановолокна 3₂ и вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 по оси распространения их выходных сигналов.

В крайнем левом (исходном) положении внутренняя нанотрубка 4₁ разрывает оптическую связь между выходом первого оптического нановолокна 3₁ и входом оптического нановолоконного Y-разветвителя 2.

Устройство работает следующим образом.

С выхода компенсирующего источника оптического сигнала 1₂ оптический сигнал с интенсивностью К усл.ед., пройдя через второе оптическое нановолокно 3₂, будет воздействовать на внутреннюю нанотрубку 4₁ с силой Fk, компенсирующей сумму всех сил, препятствующих движению внутренней нанотрубки вправо (Fw+Fт, где Fw - сила Ван-дер-Ваальса, Fт - сила трения).

Так как силы, препятствующие движению внутренней нанотрубки вправо, скомпенсированы, то при наличии ускорения объекта в отрицательном направлении оси ОХ внутренняя нанотрубка под действием силы инерции F_u=-mW (m - масса нанотрубки, W - проекция кажущегося ускорения на ось ОХ) начнет перемещаться вправо. При этом необходимо иметь в виду, что минимально необходимая сила для перемещения нанотрубки, вес которой равен ≈10^-15-10^-16 г, составляет аттоньютоны [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002].

Перемещение внутренней нанотрубки 4₁ по оси ОХ во времени будет описываться выражением:

.

Так как в начальный момент времени координата x₀ внутренней нанотрубки 4₁ и начальная скорость v₀ равны 0 (х₀=0 и v₀=0), то внутренняя нанотрубка 4₁ переместится вправо на известное расстояние Δх (до первого оптического нановолокна 3₁) за время Δt, определяемое выражением

При перемещении внутренней нанотрубки 4₁ вправо на расстояние Δх возникает оптическая связь между выходом первого оптического нановолокна 3₁ и входом оптического нановолоконного Y-разветвителя 2.

На выходе устройства «А» появляется оптический сигнал.

Со второго выхода оптического нановолоконного Y-разветвителя 2 оптический сигнал воздействует на внутреннюю нанотрубку 4₁, перемещая ее влево. На внутреннюю нанотрубку 4₁ при этом будет действовать разность сил - силы, создаваемой оптическим потоком Fn, и суммы всех сил, препятствующих движению внутренней нанотрубки 4₁ влево (Fи+Fw+Fтp). Так как за счет выбора мощности источника постоянного оптического сигнала 1₁ сила, действующая на внутреннюю нанотрубку 4₁, много больше суммы всех сил, препятствующих движению внутренней нанотрубки 4₁ влево (Fn >> Fи+Fw+Fтp), то внутренняя нанотрубка 4₁ переместится в крайнее левое (начальное) положение (х=0) за ничтожно малое время (≈1-2 пс ввиду малой массы внутренней нанотрубки 4₁).

Интервал времени Δt между импульсами на выходе «А» является величиной, исходной для определения кажущегося ускорения W из выражения:

Очевидно, что при измерении малых значений ускорения время измерения Δt будет увеличиваться и наоборот.

Для расширения пространства измерений в обоих направлениях оси ОХ может быть использовано два работающих одновременно оптических наноакселерометра со встречно направленными осями измерения, один из которых измеряет проекцию положительного ускорения на ось ОХ, а другой - отрицательного. Для измерения ускорения в трех измерениях могут быть использованы, соответственно, три таких пары оптических наноакселерометров, расположенных ортогонально.

Время измерения кажущегося ускорения W оптическим наноакселерометром определяется, по существу, временем перемещения внутренней нанотрубки 4₁ на расстояние Δх в процессе измерения. Так, при Δх=10 нм и ускорении от 0,01 до 10⁶ м/с² время измерения составляет ≈1,4·10^-3 - 1,4·10^-7 с, что соответствует частотному диапазону изменения ускорений подавляющего большинства современных подвижных объектов.

Простота данного оптического наноакселерометра, широкий диапазон измерения ускорений - от 0,01 м/с² до 10⁶ м/с² (что определяется возможностью осцилляции внутренней нанотрубки с частотой 10⁷ Гц [Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators / Quanshui Zheng, Qing Jiang // Phys. Rev. Lett. 88, 045503, 28 January, 2002]), а также возможность наноразмерного исполнения делают его весьма перспективным при разработке и создании навигационных систем, а также аппаратуры для виброиспытаний и гравиметрических исследований.

Оптический наноакселерометр, содержащий источник постоянного оптического сигнала, две телескопические нанотрубки, отличающийся тем, что в него введены компенсирующий источник оптического сигнала, два оптических нановолокна, оптический нановолоконный Y-разветвитель, выход источника постоянного оптического сигнала подключен ко входу первого оптического нановолокна, выход которого оптически связан со входом оптического нановолоконного Y-разветвителя, выход компенсирующего источника оптического сигнала подключен ко входу второго оптического нановолокна, телескопические нанотрубки расположены между выходом второго оптического нановолокна и вторым выходом оптического нановолоконного Y-разветвителя по оси распространения их выходных оптических сигналов, в исходном положении внутренняя нанотрубка разрывает оптические связи между выходом первого оптического нановолокна и входом оптического нановолоконного Y-разветвителя, выходом устройства является первый выход оптического нановолоконного Y-разветвителя.